趙向鵬,宋中界,錢 凱

(1.河南省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司,鄭州 450002;2.河南科技大學(xué) 河南 洛陽 471003;3.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 長垣分院,河南 新鄉(xiāng) 453400)

0 引言

燕麥又名玉麥,屬禾本科,一年生草本作物,喜冷寒干燥的環(huán)境,多種植于我國內(nèi)蒙、山西和青海等地區(qū)[1]。受制于專用作業(yè)機(jī)器不配套,收獲過程中燕麥的脫粒效果較差,韌性較大、水糖含量較高的燕麥莖稈在滾筒間纏繞堵塞的現(xiàn)象常有發(fā)生。因此,優(yōu)化聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)參數(shù)[2-3]、增強(qiáng)收獲機(jī)防纏繞性能、改善脫粒效果是提升燕麥?zhǔn)斋@機(jī)械作業(yè)穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵。

脫粒裝置作為聯(lián)合收獲機(jī)的核心工作部件,國外一些知名收獲機(jī)公司在其研發(fā)和優(yōu)化、工作原理及信息化獲取方面進(jìn)行了大量的工作[4-5]。株式會(huì)社久保田在新型谷物收獲機(jī)中,通過螺旋葉片、送塵閥和引導(dǎo)管的配合工作,可有效地防止脫粒過程中前期的禾稈堵塞與脫粒處理室中禾稈的滯留和堆積現(xiàn)象。約翰迪爾公司設(shè)計(jì)了一款切流式收割機(jī),通過設(shè)置逐稿器、頂蓋導(dǎo)流板來疏通物料,在滾筒下方設(shè)置可調(diào)間隙凹篩板,根據(jù)物料喂入量和禾稈含水率手動(dòng)調(diào)節(jié)間隙大小,有效改善了脫粒性能,避免了滾筒上的纏繞問題。

國內(nèi)學(xué)者針對脫粒裝置的研究,多從降低整機(jī)功耗、研發(fā)新型裝置[6]、觀察物料在滾筒間運(yùn)動(dòng)規(guī)律[7-9]以及更換不同材料和類型的破碎裝置等方面開展[10-12]。徐立章[13]通過在切縱流聯(lián)合收獲機(jī)上加裝傾斜輸送鏈耙和強(qiáng)制喂入裝置,改善了谷類作物收獲過程中籽粒損失過多、莖稈韌性強(qiáng)易纏繞及篩板易堵塞的問題。李耀明[14-17]研制了斜置切縱流雙滾筒對物料進(jìn)行兩級脫粒,一級切流滾筒進(jìn)行初脫分,二級斜置縱流滾筒完成復(fù)脫分離任務(wù),過渡口采用螺旋喂入配合導(dǎo)流蓋疏導(dǎo)物料。廖慶喜等[18]設(shè)計(jì)了切拋式組合脫粒裝置,具有物料快速切割、均勻輸送的功能,且物料脫粒分離效果顯著。國內(nèi)根據(jù)燕麥莖稈、籽粒的物料特性來優(yōu)化脫粒工作中莖稈破碎效果,而針對改善莖稈纏繞、篩板堵塞的研究相對較少。

收獲過程中,聯(lián)合收獲機(jī)存在莖稈細(xì)韌易纏繞、籽粒脫分效果不好的現(xiàn)象[19],制約了雜糧種植的推廣。為此,筆者通過搭建燕麥組合式脫粒破碎防纏試驗(yàn)臺(tái),以軸流滾筒、雙滾筒水平中心距、垂直高度差為試驗(yàn)因素,以軸流滾筒工作轉(zhuǎn)速波動(dòng)差、脫出物籽粒質(zhì)量為試驗(yàn)指標(biāo),進(jìn)行三因素正交試驗(yàn),并通過探尋組合式切-橫軸流脫粒裝置的確定因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律,為燕麥及其他雜糧收獲機(jī)脫粒組合裝置的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)和參數(shù)優(yōu)化方法。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取山西省右玉縣收獲初期至蠟熟期燕麥右玉4號(hào)為試驗(yàn)物料,試驗(yàn)前利用游標(biāo)卡尺、卷尺測得燕麥平均植株高度為1264.2mm、平均莖稈直徑為5.5mm、平均穗頭長度為2.2mm;采用DHG-9623BS-Ⅲ電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱測得燕麥莖稈含水率7%～10%、植株含水率7.9%;儀器溫度分辨率為0.1℃,溫度波動(dòng)度±0.5℃。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)

切-軸流脫粒破碎試驗(yàn)臺(tái)主要由固定輸送帶、切-軸流組合脫粒裝置及電機(jī)組成,如圖1所示。

1.固定輸送帶 2.電機(jī)a 3.擋板 4.喂料口 5.電機(jī)b 6.過渡箱 7.電機(jī)c 8.高度調(diào)整螺栓 9.接料箱 10.出料口 11.脫粒元件圖1 切-軸流性能試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Tangential-axial flow performance test bench

試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵部件為切-軸雙滾筒的脫粒裝置,主要由固定架、固定主桿、釘齒、防護(hù)罩及導(dǎo)流頂蓋等構(gòu)成。其中,導(dǎo)流板蓋在脫粒釘齒上方,起疏導(dǎo)物料的作用;切流滾筒出口端與軸流滾筒入口端搭有弧型過渡板,當(dāng)物料沿切流滾筒出口端飛出后可流暢進(jìn)入軸流滾筒;雙滾筒之間用過渡箱連接,材料為可透視亞克力板,方便觀察滾筒間物料通過狀況,及時(shí)預(yù)防堵塞現(xiàn)象。滾筒的輸入動(dòng)力由兩個(gè)(型號(hào)為yvf2-90l-2)獨(dú)立電機(jī)提供,啟動(dòng)電源后由連接電機(jī)的變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,經(jīng)手持轉(zhuǎn)速儀待電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)后測得滾筒轉(zhuǎn)速。

試驗(yàn)所需儀器還包括兩臺(tái)SVF-7變頻器、手持測速儀及SF-400電子天平(精度為0.02g)。

1.3 工作原理

切-軸流雙滾筒的水平中心距和垂直高度差是影響整個(gè)脫粒作業(yè)過程通暢性的關(guān)鍵組合參數(shù)。物料經(jīng)固定傳送帶按照一定喂入量均勻進(jìn)入切流滾筒后,在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的切流滾筒中受釘齒打擊作用下莖稈受力破碎,成熟易脫落的麥粒脫出通過凹篩板落入接料箱;經(jīng)破碎后長短不一的莖稈攜有較難脫粒的籽粒沿切流滾筒出口端拋出,經(jīng)氣流引導(dǎo)通過過渡箱后進(jìn)入軸流滾筒內(nèi);在軸流滾筒中,物料沿頂蓋導(dǎo)流板方向在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒中按照螺旋式軌跡運(yùn)動(dòng),經(jīng)受釘齒的充分接觸打擊后物料中的籽粒完全脫出,通過篩板落入接料箱;破碎后的莖稈在軸流滾筒的末端從出料口排除。雙滾筒及輸送裝置單獨(dú)配置動(dòng)力輸入裝置,方便調(diào)節(jié);通過調(diào)節(jié)滾筒底部調(diào)整螺栓和平移滾筒機(jī)架,可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)雙滾筒水平中心距離及垂直高度差。

1.4 試驗(yàn)指標(biāo)

選擇燕麥作為試驗(yàn)對象。由于軸流滾筒在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中不易通過直觀手段觀察筒內(nèi)的纏繞情況,沒有完全破碎的細(xì)長韌莖稈會(huì)隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞在滾筒釘齒間,增加的滾筒旋轉(zhuǎn)阻力使?jié)L筒轉(zhuǎn)速瞬間降低,造成滾筒轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。滾筒轉(zhuǎn)速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)需要一個(gè)階段,通過對滾筒工作時(shí)最低轉(zhuǎn)速監(jiān)測,間接反應(yīng)滾筒內(nèi)物料通暢情況。將轉(zhuǎn)速差作為試驗(yàn)指標(biāo),滾筒脫出物質(zhì)量和其中籽粒質(zhì)量是考量軸流滾筒脫粒能力的重要指標(biāo),在提高試驗(yàn)臺(tái)防纏繞能力的同時(shí)需要保證其脫粒效果的高效和穩(wěn)定。

2 切-軸流脫粒裝置設(shè)計(jì)與分析

2.1 軸流脫粒分離裝置

為適應(yīng)莖稈細(xì)長、韌性較大的特點(diǎn),滾筒采用釘齒式脫粒裝置。

滾筒釘齒總數(shù)Z的計(jì)算公式為

(1)

其中,β為喂入料中籽粒占莖稈的質(zhì)量分?jǐn)?shù);m′為喂入量(kg);kd為單齒脫粒能力。

軸流滾筒的齒頂圓計(jì)算公式為

DZ=GL/π+2dc

(2)

其中,G為軸流滾筒的桿數(shù),通常為5～12,取G=8;L為桿間距,取L=150;dc為釘齒高度,取dc=60mm;

軸流滾筒轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為

(3)

其中,va為軸流滾筒釘齒的外圓處的線速度(m/s)。

脫粒滾筒打擊裝置與凹篩板之間的間隙dj對試驗(yàn)臺(tái)脫粒性能有著較大影響,脫粒間隙依據(jù)燕麥長莖稈的物理特性,采用柵格式篩網(wǎng),包角210°。

2.2 脫粒分離裝置穩(wěn)定性分析

采用釘齒式脫粒元件。工作中,燕麥莖稈經(jīng)過輸送帶運(yùn)送至喂料口后處于動(dòng)態(tài)平衡,在切流滾筒處的受力分析如圖2所示。

圖2 脫粒滾筒受力分析Fig.2 Stress analysis of straw in drum

圖2中,MT為發(fā)動(dòng)機(jī)傳到滾筒的轉(zhuǎn)矩;w為角速度;MTZ為脫粒滾筒在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受空氣AT和軸承摩擦BT的阻力矩。

MTZ=AT+BTw2

(4)

按照格氏分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,莖稈對滾筒的摩擦阻力和物料受到?jīng)_擊動(dòng)能時(shí)給滾筒的反作用力為Fp,計(jì)算公式為

(5)

其中,m′為喂入時(shí)物料總質(zhì)量 (g);v為線速度(m/s);f為莖稈通過脫粒間隙時(shí)的綜合摩擦因數(shù)。根據(jù)力矩平衡列方程式為

(6)

由公式(5)可分析脫粒滾筒的幾種工作狀況:

1)當(dāng)物料均勻喂入時(shí),m′為恒量,公式(10)左邊為零,此時(shí)dw/dt=0, 滾筒平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn),公式改寫為

(7)

其中,N為發(fā)動(dòng)機(jī)輸入功率。在克服摩擦阻力后所余功率,即為有用功率,則

(8)

式(8)為格氏公式,描述了滾筒平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)。

2)在啟動(dòng)和停止燕麥喂入時(shí),m’為零,由公式(8)可得

(9)

發(fā)動(dòng)機(jī)供給功率用來克服滾筒所受的空氣和軸承摩擦阻力,并使?jié)L筒增速,w增大到一定值后MT等于MTZ,此時(shí)角加速度為零,w保持穩(wěn)定,略高于正常工作值。

3)當(dāng)切斷發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸動(dòng)力時(shí),NT=0,由公式(8)可得

(10)

由公式(10)可知:角加速度為負(fù)值,滾筒做減速運(yùn)動(dòng),動(dòng)力由滾筒本身動(dòng)能提供,w緩慢降低為零。

4)一般工作情況下,滾筒處于動(dòng)平衡狀態(tài),轉(zhuǎn)速經(jīng)常處于變化中。當(dāng)喂入量m′增大時(shí),公式(8)右邊為負(fù)值,滾筒速度降低。此時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)總功率和轉(zhuǎn)矩增加,供給滾筒的功率NT和力矩MT而增大,使公式(8)右邊重新等于零,轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。如果喂入量m′變化過大,致使發(fā)動(dòng)機(jī)超負(fù)荷工作,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩在角速度降低時(shí)無法及時(shí)增加,功率反而降低,w變化范圍增大,影響滾筒的脫粒性能。

3 單因素試驗(yàn)

為確定軸流滾筒轉(zhuǎn)速、雙滾筒水平中心距和垂直高度差等因素對試驗(yàn)臺(tái)防纏繞能力和脫粒能力的影響范圍,進(jìn)行了單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)中的固定參數(shù)包括相同的喂入量1kg/s、相同的切流滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒凹篩板間隙?？紤]實(shí)際情況和農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù),設(shè)定軸流滾筒轉(zhuǎn)速范圍、切軸流雙滾筒水平中心距和垂直高度差范圍。

3.1 軸流滾筒轉(zhuǎn)速對試驗(yàn)指標(biāo)影響

在保持試驗(yàn)臺(tái)固定參數(shù)不變的情況下,將雙滾筒水平中心距和垂直高度差參數(shù)固定,測試軸流滾筒轉(zhuǎn)速在600、 700、 800、 900r/min情況下對軸流滾筒最低轉(zhuǎn)速和脫粒性能的影響,結(jié)果如圖3所示。

圖3 性能參數(shù)隨軸流滾筒轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律Fig.3 Variation Law of performance parameters with axial flow drum speed

由圖3可知:試驗(yàn)臺(tái)防纏繞擁堵能力和脫粒性能受到軸流滾筒轉(zhuǎn)速的影響都很明顯。在600～800 r/min范圍內(nèi),試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速差隨著轉(zhuǎn)速的增大而急劇減小,脫出物質(zhì)量和脫出物中籽粒質(zhì)量也同時(shí)呈正相關(guān)趨勢增加;在軸流滾筒轉(zhuǎn)速為800r/min時(shí),試驗(yàn)臺(tái)的防纏繞能力和脫粒能力達(dá)到最佳。

3.2 切軸流雙滾筒水平中心距試驗(yàn)指標(biāo)影響

為分析雙滾筒水平中心距對防纏繞脫粒裝置性能影響,在試驗(yàn)臺(tái)固定參數(shù)不變的情況下,雙滾筒垂直高度差為0,軸流滾筒轉(zhuǎn)速保持800r/min,測試雙滾筒水平中心距分別為750、800、850、900mm時(shí)對試驗(yàn)臺(tái)防纏繞能力和脫粒能力的影響。試驗(yàn)每組重復(fù)3次,結(jié)果取平均值,如圖4所示。

圖4 性能參數(shù)隨雙滾筒水平中心距的變化規(guī)律Fig.4 Variation of performance parameters with horizontal center distance of double drums

由圖4可知:雙滾筒水平中心距對試驗(yàn)臺(tái)整體的性能指標(biāo)影響程度都較為明顯。在切流滾筒參數(shù)和軸流滾筒轉(zhuǎn)速不變的情況下,當(dāng)兩滾筒水平距離為750mm時(shí),軸流滾筒的防纏繞能力和脫粒能力效果最佳。

3.3 切軸流雙滾筒轉(zhuǎn)垂直高度差對試驗(yàn)指標(biāo)影響

為分析切-軸流雙滾筒垂直高度差對防纏繞脫粒裝置性能影響,在試驗(yàn)臺(tái)固定參數(shù)不變的情況下,雙滾筒水平中心距固定為750mm,軸流滾筒轉(zhuǎn)速保持為800r/min,測試雙滾筒垂直高度差為-100～50mm范圍內(nèi)(以一級切流滾筒旋轉(zhuǎn)中心高出二級軸流滾筒為正)試驗(yàn)臺(tái)的性能指標(biāo)。每組試驗(yàn)重復(fù)3次,結(jié)果取平均值,如圖5所示。

由圖5可知:試驗(yàn)臺(tái)受到雙滾筒垂直高度差的影響明顯,對試驗(yàn)臺(tái)脫粒能力影響不明顯;在切流滾筒參數(shù)固定,軸流滾筒轉(zhuǎn)速變的情況下,兩滾筒高度差為-50mm時(shí)軸流滾筒的防纏繞效果最強(qiáng)。

圖5 性能參數(shù)隨雙滾筒垂直高度差的變化規(guī)律Fig.5 The law of performance difference of double roller with different height

4 正交試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在切流滾筒防纏繞脫粒試驗(yàn)臺(tái)的原有基礎(chǔ)上,試驗(yàn)研究組合式切-橫軸流脫粒裝置的工作性能。將切流滾筒轉(zhuǎn)速參數(shù)固定,選取軸流滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度A、兩滾筒水平方向中心距B、兩滾筒垂直方向中心高度差C為試驗(yàn)因素。每個(gè)因素取3個(gè)水平,以轉(zhuǎn)速差y1和脫出物中籽粒質(zhì)量y2為試驗(yàn)指標(biāo),進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn) ,試驗(yàn)表如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平編碼表

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過Design-Expert11軟件進(jìn)行試驗(yàn)與分析,切-軸流雙滾筒試驗(yàn)臺(tái)正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)與結(jié)果

續(xù)表2

試驗(yàn)臺(tái)防纏繞能力極差分析如表3所法。由表可知:組合式脫粒試驗(yàn)臺(tái)工作中,影響軸流滾筒轉(zhuǎn)速差的因素重要程度依次為雙滾筒垂直高度差、軸流滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度、雙滾筒水平中心距;當(dāng)雙滾筒水平中心距為800mm、 垂直高度差為50mm且軸流滾筒轉(zhuǎn)速保持為800 r/min時(shí),試驗(yàn)臺(tái)軸流滾筒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,波動(dòng)范圍小,物料在滾筒內(nèi)部進(jìn)出通暢,無明顯纏結(jié)現(xiàn)象和堵塞情況,防纏繞、堵塞效果最佳。

表3 試驗(yàn)臺(tái)防纏繞能力極差分析

試驗(yàn)臺(tái)脫粒性能極差分析如表4所示。由表4可知:組合式脫粒試驗(yàn)臺(tái)工作中脫粒效果影響的因素重要程度依次為雙滾筒水平中心距、軸流滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度、雙滾筒垂直高度差;當(dāng)保持雙滾筒水平中心距為750mm、垂直高度差為0且軸流滾筒轉(zhuǎn)速為900r/min時(shí),試驗(yàn)臺(tái)脫出物籽粒質(zhì)量最大,脫粒效果最好。

表4 試驗(yàn)臺(tái)脫粒性能極差分析

對組合式脫粒性能試驗(yàn)臺(tái)正交試驗(yàn)進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)臺(tái)方差分析表

由表5可知:除了雙滾筒垂直高度差對脫出物質(zhì)量的影響不顯著外,三因素對軸流滾筒轉(zhuǎn)速差和脫出物籽粒質(zhì)量兩個(gè)評價(jià)指標(biāo)為顯著影響。其中,雙滾筒垂直高度差對軸流滾筒轉(zhuǎn)速差的影響為極顯著。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取軸流滾筒轉(zhuǎn)速差波動(dòng)最小和脫出物籽粒質(zhì)量最大的試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)組合A2B2C3和A3B1C2展開驗(yàn)證試驗(yàn),以達(dá)到驗(yàn)證整體試驗(yàn)臺(tái)預(yù)防纏繞堵塞和提升脫粒效果的目標(biāo)。試驗(yàn)分別在最佳組合參數(shù)下進(jìn)行3次,結(jié)果取平均值,如表6所示。由表6可知:軸流滾筒轉(zhuǎn)速差為15.5r/min、試驗(yàn)臺(tái)脫出物籽粒質(zhì)量為194.6g時(shí),脫粒率為63.5%,達(dá)到對脫粒能力的要求。通過高速攝像對物料流通過程的動(dòng)態(tài)觀察,參數(shù)優(yōu)化后試驗(yàn)組工作過程中物料在雙滾筒間流動(dòng)通暢,未出現(xiàn)堵塞、堆積現(xiàn)象,過渡箱內(nèi)余留物較少,試驗(yàn)臺(tái)破碎防纏能力顯著提高。

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

1) 組合式切橫軸流防纏脫粒裝置的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)顯示:在切流滾筒轉(zhuǎn)速為700r/min前提下,其他參數(shù)不變,試驗(yàn)臺(tái)在軸流滾筒轉(zhuǎn)速800r/min時(shí)防纏繞堵塞能力和脫粒性能同時(shí)達(dá)到最優(yōu);其他參數(shù)固定,雙滾筒水平中心距在820～850mm時(shí)試驗(yàn)臺(tái)防纏繞能力影響明顯,對脫粒能力影響較小;雙滾筒垂直高度差為-50mm時(shí)試驗(yàn)臺(tái)防纏繞能力最強(qiáng)。

2)對正交試驗(yàn)進(jìn)行極差和方差分析后可知:除去脫粒能力受雙滾筒垂直高度差影響不明顯以外,其它性能指標(biāo)受3種試驗(yàn)因素的影響表現(xiàn)顯著。其中,雙滾筒垂直高度差對試驗(yàn)臺(tái)防纏繞堵塞性能的影響效果極其顯著。防纏繞效果最好的試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)方案為:切軸流雙滾筒保持水平中心距為800mm,垂直高度差為50mm,軸流滾筒轉(zhuǎn)速為800r/min,此時(shí)滾筒工作狀態(tài)平穩(wěn),物料進(jìn)出通暢。脫粒性能最好的試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)方案為:切軸流雙滾筒保持水平中心距為750mm,垂直高度差為0,軸流滾筒轉(zhuǎn)速調(diào)整為900r/min,此時(shí)脫粒效果最佳。

3)通過綜合試驗(yàn)驗(yàn)證,最優(yōu)參數(shù)組合下試驗(yàn)臺(tái)表現(xiàn)性能優(yōu)異,滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠,且過渡段內(nèi)物料流動(dòng)通暢,沒有堵塞、停滯、堆積現(xiàn)象,在滿足脫粒性能要求的前提下試驗(yàn)臺(tái)破碎防纏能力有了顯著提高。